科学家精神 | 鲜学福院士：攻坚克难，保障国家能源安全

鲜学福（1929年1月—），矿山安全技术专家，中国工程院院士，煤层瓦斯（煤层气）基础研究的开拓者。长期致力于矿井煤层气理论及其工程应用的研究，通过理论和实践验证解决了国际上有争议的瓦斯吸附键问题，建立了煤与瓦斯突出潜在危险区预测的力学方法。先后获国家科技进步奖3项，2019年荣获“庆祝中华人民共和国成立70周年”纪念章及“最美奋斗者”称号。

1949年，鲜学福考入四川省立教育学院数学系。1950年，为了国家需要，他改学工科，重新报考大学。

1955年，在毕业分配登记表上，他在最后一栏志愿栏里郑重写下“终身献身煤矿事业”。今天看来，他实现了当初的诺言。改革开放以来的40年，鲜学福一直紧盯国家能源需求，为我国矿山安全技术及工程领域、矿井煤层瓦斯开采理论及工程应用等领域的研究作出了巨大贡献。

敢为人先 率先攻克国际性难题

20世纪60年代，国家经济建设急需能源方面的工程技术人才，鲜学福被派赴苏联留学，学习苏联当时很热门的水力采煤技术。就在鲜学福学成归国准备大展拳脚的时候，苏联的水力采煤技术因其固有的缺陷在国内已逐渐被淘汰，水力采煤矿井所剩无几，这几乎让他赴苏联所学技术毫无用武之地。

但随着煤矿安全生产问题日益突出，特别是煤与瓦斯突出和瓦斯爆炸成为煤矿安全生产最大的拦路虎。鲜学福看在眼里，急在心里。由于当时中国在治理煤与瓦斯突出时，基本上都是照搬苏联经验。鲜学福说，苏联的斯可琴斯基院士，曾总结出最有效的手段是在有突出危险煤层的上（或下）部先开采保护层来保护突出层。当用层间距60米以下的上保护层和层间距10米以上的下保护层开采危险层时，整个开采阶段都将受到保护，同时指出，由于开采保护层将造成邻近卸压层向保护层涌出大量瓦斯，为此要进行打钻预排瓦斯，并加以利用。当时重庆的南桐、中梁山煤矿下保护层开采都面临层间距小于10米的保护层开采问题，而近距离开展保护层开采风险系数极大，国外也尚无成功先例，可否突破外国的经验？

带着这个挑战，鲜学福开启了他学术生涯的第一次转向。20 世纪60年代初，他组织重庆大学釆矿系在南桐矿务局开展保护层开采防治瓦斯灾害方面研究的老师，开展了近距离保护层开采及瓦斯抽放方面的研究。终于在60年代中期，鲜学福组织的科研小组经过坚持不懈的试验，最终取得技术突破，在重庆南桐矿务局成功实施了近距离开采保护层抽放瓦斯的工程实践，攻克了近距离开采保护层抽放瓦斯这一具有极大风险的国际性难题，使我国成为世界上最早实践近距离煤层保护层开采及瓦斯抽放技术的国家。

此后，又在此基础上与博士生孙培德合作研究建立了开采保护层双层和多层系统越流的固气耦合渗流计算方法，并解决了邻近层有效保护范围的划分问题。在20世纪70年代，鲜学福就提出煤层中的瓦斯不仅是致灾因素，也是一种较洁净能源和资源的学术观点，使我国煤矿瓦斯安全工作重点逐渐由治理措施转化为防治结合，采煤前先对瓦斯进行抽采，化害为利，从源头上对瓦斯灾害进行防治，并对瓦斯资源加以利用。

鲜学福和他的团队在煤与瓦斯突出灾害的防治方面开展了大量理论和实践研究，其分管的项目在1978年召开的全国科学大会上获奖。

探幽入微 解决国际性学术争议

1978年3月18—31日，党中央、国务院召开了规模盛大的全国科学大会，明确了“科学技术是生产力”的马克思主义基本论断，打开了解放思想的先河，确立了尊重知识、尊重人才的根本方针，迎来了中国历史上灿烂的科学的春天。

对此，鲜学福感同身受。和全国众多科技工作者一样，鲜学福学术和教学生涯中的黄金时期，就是从这个春天开始的。1978年以后，鲜学福得以全身心地投入中断多年的煤与瓦斯突出灾害防治研究中。

对于瓦斯抽采工程实践及煤与瓦斯突出机制的研究，厘清甲烷分子与煤表面分子的相互作用机制至关重要。20世纪80年代末到90年代初，国际上对这一问题尚无定论，多数学者认为甲烷分子与煤表面分子之间的作用力为范德华力，但也有少数学者，如爱丁格尔、陶尼克等提出，在较大的压力条件下，它们之间可能存在化学键，且一般是亚稳态的。

为解决这一学术争议，1984—1995年，鲜学福院士打破学科界限，率先开展学科交叉研究，吸纳化学学科的学生加入团队，采用X射线散射、红外光谱、CT扫描技术多种表征测试手段，从分子水平上研究了甲烷在煤中的吸附（解吸）过程，掌握了煤表面与甲烷分子相互作用势的大小、分布，以及吸附态的特征和实验测定，得出非极端条件下煤与甲烷的相互作用力为范德华力。

在当时的条件下，虽然可用于分子与固体表面相互作用研究的实验技术很多，但都无法用于对甲烷与煤吸附体系的研究，考虑到采用同位素取代（氘代氢）后可克服煤中C—H键的影响，鲜学福带领团队尝试了用现场低温红外光谱对甲烷在煤中吸附进行实验测定。结合量子化学计算方法和现场低温红外光谱实验对煤表面与甲烷相互作用的研究，得出甲烷与煤表面的相互作用是各向异性的，当甲烷在煤核表面呈正三角锥重叠式吸附时能量最低，相互作用势最大，在此基础上也得出甲烷与煤表面分子之间的作用力属于范德华作用力，吸附过程为物理吸附，从理论和实验上解决了尚有争议的甲烷与煤表面作用的吸附键属性问题，为煤与瓦斯突出机制的研究及瓦斯抽采技术的开发奠定了坚实的基础。

另辟蹊径 建立煤与瓦斯突出灾害预测新方法

据资料记载和不完全统计，从1834年法国鲁阿雷煤田依阿克矿发生第一次煤与瓦斯突出以来，世界上有包括中国在内的20多个国家发生了4万次左右煤与瓦斯突出灾害，最大的两次为1969年发生在苏联顿巴斯加加林矿的突出（突出煤量14000吨，瓦斯量250000立方米）和1975年发生在中国重庆天府三汇一矿的突出（突出煤岩量12780吨，瓦斯量1400000立方米）。长期以来，世界各国众多科学家开展了对这一科学问题的研究，特别是俄罗斯和中国，在突出的防治方面已经取得了一定成绩，但煤与瓦斯突出灾害现象仍时有发生。

在鲜学福看来，煤与瓦斯突出，实际上是一种矿山工程地质灾害，它的防治包括了要阐明突出发生的机制，找到其预测预报方法，开发出其监测手段和制定出与其对应的防治措施，其中最核心的科学问题是机制与预测，而关键技术难点也在这里。这一核心问题的研究不仅涉及地质与工程科学，还涉及与它们相关的物理、化学、力学和数学等学科。

对煤与瓦斯突出潜在危险区的预测在瓦斯灾害防治中至关重要，长期以来，对这一问题的研究大多停留在定性研究阶段。煤矿生产的实践表明，煤与瓦斯突出具有区域性和成带性，而发生煤与瓦斯突出的区域多数就位于一个矿井的地质构造变动带。为探究该现象发生背后的原因，鲜学福带领团队从力学的观点出发，认为该现象的发生，可能是与地质构造带煤岩层的几何形态发生了变化有关，同时也与地质构造带中煤岩体的物理力学性质发生了相应的变化有关。

鲜学福认为，只要在矿井建设前和生产期间能取得较为详细的地质资料，按力学的思路进行地应力测试，并有针对性地获取煤岩物理力学性质，就可以用力学的数值方法来进行矿井煤与瓦斯突出潜在危险区的预测。

基于该思路，鲜学福提出了一种利用凯塞尔效应测地应力的方法，用该实验方法证明了复合岩石和含瓦斯煤的应力应变规律与单一岩石和煤具有一致性，为数值计算含瓦斯复合煤岩本构方程的选择提供了依据。基于实验结果，在德鲁克- 布拉格强度准则的基础上，建立了充瓦斯煤岩断裂破坏的应力强度和应变强度准则，并提出了用稳定性系数来划分突出潜在危险区的方法。

在研究中，鲜学福从不满足于一般性的理论推导，不管这种推导在逻辑上有多严密，仍要通过数值计算及与室内实验、现场应用结果进行比对，反复验证。基于此，鲜学福将提出的这种煤矿井工开采预测煤与瓦斯突出潜在危险区的方法在重庆南桐鱼田堡煤矿、砚石台煤矿、水江煤矿，四川芙蓉巡场煤矿、绿水洞煤矿和河南平顶山八矿等多座煤矿进行了应用，证明了发生突出的区域与预测结果具有很好的一致性，验证了方法的可靠性。

引领前沿 推进国际首次超临界二氧化碳压裂现场试验

在科研的道路上，鲜学福永葆一颗求索求真之心，始终关注学术前沿并保持敏感性。21世纪，针对我国天然气对外依存度越来越高，严重威胁我国能源安全的问题，结合重庆作为全国页岩气开发主战场的地缘优势，鲜学福带领团队把科研重心转向了页岩气开发领域，在国内较早地开展了页岩气开发的研究。

针对我国页岩气地质赋存条件，以及传统水力压裂存在的水资源消耗量大、环境污染问题突出等问题，2009年，鲜学福推进了与国内外科研单位合作，并创新性地提出了超临界二氧化碳强化页岩气开发及地质封存一体化的学术思路，即利用超临界二氧化碳代替水作为压裂液改造储层，同时置换页岩气，提高采收率，并最终实现二氧化碳的地下封存。基于该思路，他推荐申请的“超临界二氧化碳强化页岩气高效开发基础”973项目成功获得立项，目前基于该方面的研究，已成功实施了国际上首次超临界二氧化碳压裂现场试验，为我国页岩气高效开发和二氧化碳大规模减排提供了重要支撑。

在鲜学福看来，科研人员必须秉承客观中立的态度，求真求实。近年来，针对页岩气大规模开发存在潜在的环境及地质灾害风险问题，他多次呼吁科研人员应该秉承客观中立的态度对该问题加以研究，基于科学事实为页岩气开发过程环境风险及灾害防控提供依据。

在科研和学术的道路上，鲜学福始终保持谦逊谨慎的作风，他认为每个人都有自身的局限性，不可能样样都懂，样样都精。对于不是自己研究领域的问题，他从不轻易发表意见。曾有研究人员邀请鲜学福为自己的著作写序，因该书不是他的研究领域，鲜学福以无从对书籍的科学性和严谨性做判断为由婉拒，但随后又专门引荐了专业的教授为该研究人员作序。

参加学术会议鲜学福也有自己的原则，他只参加和自己研究领域相关的会议，如果要作学术报告，对报告内容他会反复推敲，涉及的相关数据会反复核实，且报告内容绝不与之前的重复，同一报告不会讲两遍。

躬耕杏坛 立德树人桃李芬芳

1956年，鲜学福到重庆大学任教，60多年来，培养了一大批优秀学子，这些学生中不仅有院士、中央委员、省部级官员、厅局级官员，还有各条战线的学术和技术骨干。

“这里最好的学风就是踏实，这一点很重要，科学就是实事求是，而实事求是就要求我们踏踏实实地干。我们送出去的学生也总能得到这样的评价。”鲜学福对此感到骄傲。

到90岁高龄，鲜学福依然还在精心辅导学生，他修改的论文，每一页都布满了铅笔写下的修改批注，大到结构调整，小到标点符号，有的地方还有橡皮擦反复擦拭的痕迹……这些痕迹表明，每一处修改批注都是鲜学福反复斟酌后写下的。

鲜学福说：“青年一代是我们国家建设的接班人，老师对他们的培养，除传道授业外，就是事事处处都要以身作则，为他们树立榜样，也就是身教要重于言教。”

位于重庆大学采矿实验大楼的办公室是1999年鲜学福当选院士时装修好的，被隔成了秘书的工作间和他的书房。书桌上放着陈旧的眼镜盒和用了半截的铅笔、橡皮，草稿纸的正反面都写满了笔记，字迹极为工整。

这间办公室不大，门牌也被鲜学福叫人取了下来。“鲜老师不让装，这样可以少些打扰”，秘书说。屋里大部分空间都被书占据了，就连办公桌旁的窗台上，都垒着高高的旧书。十几年前，鲜学福听说重庆大学图书馆在清理旧书，立即请了两个人去挑了两担旧书回来。这些旧书，大都是俄文专业书籍。鲜学福年轻时的许多积淀与灵感，都来源于这些旧书。之所以把这些旧书找回来，是因为鲜学福觉得里面还有可供学习的内容。他在办公室把这些旧书重新整理了一遍，怕学生看不懂俄文，又将重要内容用中文翻译并摘抄下来。

这些资料笔记现在已经垒了半米多高，一字一句都是鲜学福留给学生们的宝贵财富。

学生们忍不住感叹说，几十年过去了，许多东西都变了，唯独鲜老师，一点都没变。

在学生们的印象中，鲜老师总是最早来到实验楼。每天早上7点多，司机准时开车到他家楼下，为了不让司机等候，鲜学福总会比约定的时间早到一些。周末的时间，他便让司机休息，自己步行到办公室。

多年以来，鲜学福仅给自己安排了除夕到初三这4天假期。工作时间就到办公室看书学习，有时也亲自翻译俄文资料，风雨无阻。进入耄耋之年后，除了教学和钻研，鲜学福还喜欢上了作诗。在一幅题词中，他有感而发：“往事如烟随风去，人情冷暖留人间。万事万物多奇妙，乐在对其探索中。人生在世难长久，夕阳美在晚霞红。”鲜学福把这幅题词送给他的学生们，鼓励他们要对世界抱有好奇心，学会享受科研的乐趣。

鲜学福很少和旁人提及自己的人生追求。几年前，他在自己的个人总结中这样写道：“我的求学之路一直在警示我，学海无涯、人生苦短、珍惜时光、多干实事、回报祖国，这才是人生之所在。”鲜学福一直是这样践行这一人生追求的。

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